中美规范钢筋混凝土框架延性设计的对比研究

罗彬红，杨 眉

(中国能源建设股份有限公司，北京 朝阳，100022)

中美规范钢筋混凝土框架延性设计的对比研究

罗彬红，杨 眉

(中国能源建设股份有限公司，北京 朝阳，100022)

针对影响钢筋混凝土框架结构延性的主要因素，对中美规范进行对比。指出中国规范的延性设计较美国规范更具体明确，具有针对性。

中美规范 钢筋混凝土 框架延性 设计

1 前言

钢筋混凝土框架结构的延性设计，主要遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的理念，并根据结构的抗震等级对构件内力进行调整。同时，影响结构延性的因素还有材料、构件截面尺寸、纵向配筋、箍筋加密、体积配箍率、轴压比等。本文根据中国规范《建筑抗震设计规范》GB50011-2010及美国规范《Minimum Design Loads for Buildingsand Other Structures》ASCE7-10及《BuildingCodeRequirementsforstructuralconcrete》ACI318-11，对影响钢筋混凝土框架结构延性的各因素进行了比较，供境外工程参考。

2 延性设计与抗震等级的关系

GB50011根据设防烈度、结构类型、建筑高度，将钢筋混凝土房屋分为一、二、三、四抗震等级，结构的延性程度依次下降，结构抗震设计时，直接针对划分的抗震等级进行。

ASCE7根据1秒周期的设计反应谱加速度参数SD1、1秒周期最大考虑地震反应谱加速度参数S1、建筑的危险等级等，将建筑的抗震等级分为A、B、C、D、E、F等级，结构的延性依次提高。

ASCE7将钢筋混凝土框架分为特殊抗弯框架、中等抗弯框架、普通抗弯框架，并且规定了各结构类型在不同抗震等级下的结构高度限值材料。

3 材料

3.1 混凝土

GB50011规定，混凝土强度不应低于C30(fck=20.1MPa)，9度时不宜超过C60，8度时不宜超过C70。

ACI318规定，对于特殊抗弯框架，混凝土强度等级不应低于3000psi(fc’=20.7MPa)；其他等级的框架与非抗震结构不应低于2500psi(fc’=17.3MPa)。

规定混凝土的最低强度，是为了保证构件截面的转动能力，限制混凝土的最高强度，主要考虑到高强混凝土的脆性问题。中国规范对混凝土的最低和最高强度均进行了要求，而美国规范仅对最低强度进行了要求。

GB50011的轴向抗压强度标准值fck值由边长为150mm的立方体试件测得，ACI318的规定抗压强度fc’由直径6英寸高12英寸的圆柱体测得。对于C30混凝土，换算的fc’为25MPa，因此，中国规范对混凝土强度等级的要求是完全满足美国规范的。

3.2 钢筋

ACI318中，对特殊抗弯框架抗剪钢筋的强度提出了要求，屈服强度不大于413MPa；特殊抗弯框架柱的横向钢筋(箍筋)屈服强度不大于689MPa。

需要引起注意的是，ACI318中的fy为规定的屈服强度，与中国规范的屈服强度标准值对应。从目前的材料使用情况看，按中国规范进行抗震设计时，钢筋性能是符合美国标准的。

3.3 钢筋接头

机械连接分为两种类型，①类型1，接头强度至少为1.25fy；②类型2，接头强度至少为1.25fy，并且能发挥钢筋规定的抗拉强度。类型1接头不允许应用在从柱或梁表面算起2倍构件高度范围内，或从钢筋屈服截面算起2倍构件高度范围内；类型2接头允许应用在任何位置。焊接接头强度至少为1.25fy，焊接接头的应用范围与机械连接类型1相同。

美国规范中，焊接接头和机械连接接头类型1的位置受到了严格限制，是因为在构件的屈服区域，钢筋的应力可能接近抗拉强度，而这两类接头达不到该强度，存在接头破坏的危险。

对于机械连接接头，中国规范的Ⅲ级与美国规范的类型2等同，Ⅱ级与类型1等同，Ⅰ级是更高的级别。

4 构件的内力调整

4.1 梁端剪力调整

调整梁端剪力的目的是实现梁的强剪弱弯，中美规范均对梁端剪力进行了调整。

(1)

GB50011中，一、二、三级框架梁，可按公式(2)进行调整，公式中，为梁端剪力增大系数，一级取1.3，二级取1.2，三级取1.1；分别为梁左右端反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值；

(2)

ACI318中，仅对特殊抗弯框架的梁端剪力进行了调整，见公式(3)。公式中，Mprl、Mpr2为梁或柱梁端的可能抗弯强度，此时纵向钢筋发挥的强度为1.25fy；ln为梁净跨；wu为梁上均布荷载。

Ve=(Mpr1+Mpr2)/ln±wuln/2

(3)

中国规范的一级框架梁，有两种梁端剪力调整方式，一是根据梁端的组合弯矩设计值进行调整；二是根据实配钢筋正截面受弯承载力进行调整。美国规范的特殊抗弯框架采用根据梁端的可能抗弯强度进行调整，与中国规范的第二种方法类似。在计算正截面的抗弯强度时，中国规范采用的是钢筋屈服强度的标准值，而美国规范采用的是1.25fy，但中国规范公式(1)中有1.1的系数，总的来讲，美国规范调整的剪力偏大一些。

4.2 柱端剪力调整

(4)

(5)

ACI318中，仅对特殊抗弯框架柱端剪力进行了调整，见公式(6)。式中，Mpr1、Mpr2为柱端可能弯矩。

Ve=(Mpr1+Mpr2)/lu

(6)

GB50011中，一级框架的柱端剪力调整有两种方式，一是根据柱端的组合弯矩设计值进行调整；二是根据柱实配钢筋正截面受弯承载力进行调整。美国规范的特殊抗弯框架采用根据柱端的可能抗弯强度进行调整，与中国规范的第二种方法类似。中国规范钢筋强度采用屈服强度标准值，而美国规范采用的是规定屈服强度的1.25倍，中国规范公式(4)的右侧有1.2的系数，因此，中美规范最后调整的幅度大致相当。

4.3 柱端弯矩调整

GB50011中，一、二、三、四级框架，柱端组合的弯矩设计值应符合公式(7)。式中，ΣMc为节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和；ΣMb为节点左右梁端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和；为框架柱端弯矩增大系数，一、二、三、四级分别取1.7、1.5、1.3、1.2。

ΣMc=ηcΣMb

(7)

GB50011，一级的框架结构，可按公式(8)进行调整。式中，ΣMbuα为节点左右梁端截面反时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值之和。

ΣMc=1.2ΣMbuα

(8)

ACI318中，仅对特殊抗弯框架的柱端弯矩进行了调整，见公式(9)。式中，ΣMnb、ΣMnc分别为节点处梁端、柱端名义抗弯强度之和。

ΣMnc≥(6/5)ΣMnb

(9)

公式(7)和公式(9)采用相同的方式对柱端弯矩进行调整，中国规范调整的幅度明显比美国规范大。

5 轴压比

6 体积配箍率

体积配箍率是影响构件延性的重要因素，中美规范均对此做出了规定。

GB50011中，柱箍筋加密区箍筋体积配箍率应符合公式(9)。公式中，λv为最小配箍特征值，fyv为箍筋的抗拉强度设计值。

ρv≥λvfc/fyv

(9)

ACI318中，柱箍筋加密区的箍筋体积配箍率应符合公式(10)。

(10)

公式(9)和公式(10)很相似，公式(10)右侧的0.12相当于公式(9)中的λv，是个定值，而公式(9)中的λv则根据抗震等级、柱轴压比取不同的值。

7 结论

中美两国在钢筋混凝土框架的延性设计理念和构造措施上并没有本质的区别，最大的区别在于，美国规范根据结构的延性不同，将结构用反应修正系数R对地震力进行折减，延性好的结构地震力小，结构较柔，较早屈服且变形能力强，具有较强的耗能能力。而按中国规范设计，对于同一场地，如果将结构设计成不同的抗震等级，则抗震等级高的结构，结构构件截面更大，但延性更好，变形能力强，大震时安全度也更大，这一点应引起设计者的高度重视。

罗彬红(1975.08-)，男，湖北安陆人，大学本科，高级工程师，国家注册一级建造师，现工作于中国能源建设股份有限公司。

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TU375∶TU318.4

A

2095-1809(2017)03-0098-03